Le tarwi ou lupin changeant (Lupinus1 mutabilis Sweet, 1825) est le seul lupin domestiqué et cultivé en Amérique du Sud. Il est distribué de la Colombie à l’Argentine (du 10° LN au 20°LS), bien qu’il soit aujourd’hui essentiellement présent dans les hautes terres de l’Equateur, du Pérou et de la Bolivie. C’est une culture d’origine précolombienne qui est maintenue de nos jours de manière relictuelle dans les Andes, quand elle n’y est pas devenue subspontanée2 : on en comptait moins de 25 000 ha en 20183.
Parmi les légumineuses, ce lupin est caractérisé par ses teneurs élevées en protéines (voisine à supérieure à celle du soja) et en huile, sa capacité de production en conditions difficiles et son bénéfice potentiel pour la santé4, tous points sur lesquels nous reviendrons dans cet article.
Source : Prins & van Haren, 20195
Au niveau botanique, c’est une plante6 généralement annuelle (2n=48, génome de 1897 à 2003 Mbp7), robuste au système racinaire pivotant pouvant s’enfoncer jusqu’à 2 m et porteur de symbiose nodulaire avec la bactérie Bradyrhizobium8. Elle peut être cultivée à raison de 60 à 80 kg de semences par hectare dans des sols pauvres et/ou sous des climats secs, et mesure 0,5 à 1,5 m, voire plus, avec une puissante tige principale dotée de ramifications. Cette tige est généralement herbacée, vert gris brunâtre, voire parfois rougeâtre ou bleuissante (certains cultivars contiennent des anthocyanines) ; cependant, sa partie basale peut devenir boisée à maturité, ce qui lui donne de la stabilité mais complique sa récolte. Les feuilles portent 5-12 folioles, ovales ou lancéolés, légèrement pubescents.
Les fleurs de type papilionacé sont couramment bleues : leur couleur varie de bleu pâle à bleu violacé durant la floraison et est très pâle en fin de floraison ; elles peuvent aussi être plus rarement blanches, roses ou pourpres. Grandes de 1-2 cm, elles forment des racèmes terminaux de 50-60 fleurs. Chaque corolle comprend un pétale central bleu foncé avec une tache jaune à la base, deux ailes et deux petits pétales.
L’espèce est principalement autogame avec toutefois des taux d’allogamie variant de 4 à 11% au Pérou et jusqu’à 9,5-18,9% en Pologne avec de multiples groupes d’insectes impliqués9.
Le fruit est une gousse de 5-12 cm de long contenant 2-9 graines. Ces semences revêtues d’un tégument dur sont de forme, de poids, de taille et de couleur variables. Leur diamètre varie de 0,5 à 1,5 cm selon les cultivars et les environnements. Leur poids va de 100 mg à 450 mg. Leur forme peut être sphérique ou plate. Leur couleur varie de blanc à beige clair, brun et noir avec une grande variété de marques diverses dans une couleur secondaire.
De gauche à droite, gousses de tarwi à maturité, Isla del Sol, Lago Titicaca, Bolivia ; variation dans la pigmentation des graines, même lieu ; graines de tarwi après lessivage des alcaloïdes à la vente sur un marché, Loja, Ecuador ©CHugues in Atchsinson et al., 2016
Le cycle végétatif est généralement de 155-190 jours, mais peut atteindre 240-300 jours. Le tarwi préfère les sols sableux de pH 5 à 7, bien drainé. Au stade émergence, il est sensible au froid en dessous de -4°C. Les écotypes précoces ont besoin de 450 mm d’eau par cycle, tandis que les tardifs nécessitent 6-700 mm. Le plant de tarwi se développe bien à 20-25°C, mais la croissance de sa graine a besoin de températures nocturnes plus basses de l’ordre de 9,5°C.
Bien que souvent sensible à l’anthracnose10, cette espèce possède une teneur élevée en alcaloïdes – environ 4,5 g pour 100 de de matière sèche11, ce qui lui confère une haute résistance aux infections microbiennes et aux attaques d’insectes. La présence d’alcaloïdes (lupine, lupanidine, spartéine, etc.) dans les graines leur confère un goût amer. Son rendement assez faible pour les variétés de pays (de 400 kg/ha) a certainement limité la diffusion historique de cette culture. Cependant, aujourd’hui, il peut s’élever jusqu’à 1500-5000 kg/ha, voire 7000 kg/ha en cultures expérimentales, pour certaines variétés récentes12.
En matière d’usages, une enquête de 2007 a évalué la consommation annuelle de tarwi entre 4 et 8 kilogrammes par personne en Equateur où simultanément la demande domestique notait un déficit de 6000 tonnes, à 0,5 kilogramme par personne au Pérou et à 0,2 kilogrammes par personne en Bolivie13. Traditionnellement, la graine de tarwi est consommée dans les Andes comme un snack ou dans différents plats – salades fraîches, soupes, gâteaux, pains et même comme nourriture pour enfants. Pour cela, le grain doit être débarrassé de ses alcaloïdes14 jusqu’à 0,02% pour les humaines et 0,4 à 0,6% pour les bovins, les porcs et les volailles : on le dispose pour ce faire dans l’eau courante de ruisseaux ou de rivières entre 4 à 10 jours selon les variétés ; un autre procédé hydrothermique consiste à tremper les grains secs dans de l’eau 12 à 14 h, puis de les cuire 30 à 40 minutes.
A noter que les alcaloïdes contenus dans les feuilles et les tiges de tarwi étaient aussi également utilisées avec celles du paico (Dysphnia ambrosioides (L.) Mosyakin & Clements), une apparentée sauvage du quinoa, pour traiter les insectes sur les champs de pomme de terre ou pour contrôler certains parasites du bétail et des volailles15.
De gauche à droite, comparaison nutritionnelle du tarwi, du soja et du haricot au niveau des protéines, des acides gras et des hydrates de carbone – sources : Moron 2005, Mujica y Jacobsen, 2006, cités par Tapia précité, 2015.
Des usages modernes du tarwi se superposent désormais à ces usages antérieurs : extraction d’huile, productions de farines ou de concentrats de protéines, de laits et de yaourts végétaux, d’aliments du bétail, etc16.
D’un point de vue archéologique, les traces les plus anciennes de culture du tarwi ont été retrouvées dans des tombes de la culture Nazca et en représentations sur des céramiques de Tiahuanaco au Pérou17. Des semences plus grosses de tarwi clairement domestiquées ont été découvertes dans la vallée du Mantaro en Pérou central et datées d’environ 1800 AP (avant le présent).
L’emploi de la technologie nextRADseq sur ces artefacts archéologiques a montré que la domestication18 aurait débuté dans la région de Cajamarca au nord du Pérou avec Lupinus piurensis C.P.Sm. comme progéniteur voici à peu près 2600 AP. Accompagnée d’un goulot d’étranglement génétique, elle a été suivie d’une expansion notable de la culture dans les Andes de la Colombie au nord de l’Argentine entre 1500 et 3800 m d’altitude, puis a très rapidement décliné suite à la Conquista espagnole et à l’introduction de légumineuses importées d’Europe.
A, Carte montrant la distribution du tarwi cultivé L. mutabilis, et de son progéniteur sauvage, L. piurensis selon des spécimen d’herbariums et divers sites archéologiques ; B, chronologie des restes de lupins découverts dans les sites archéologiques d’Amérique latine – ©Atchsinson et al., 2016
Depuis une vingtaine d’années divers travaux publics et privés19 menés sur cette espèce tant dans les Andes qu’en Europe et en Australie ont renouvelé l’intérêt pour cette culture et sa sélection. Elle est adaptée à des climats tempérés, est fortement influencée par la longueur du jour et nécessite 350-800 mm de pluviométrie. Il existe deux raisons principales qui justifient ce regain d’attrait.
D’une part, cette espèce présente l’intérêt nutritionnel le plus élevé parmi toutes les espèces de lupin20: ses teneurs en protéines (40-51% de la matière sèche) et en huiles (16 à 23% de la matière sèche où prédominent les acides gras linolénique et linoléique) sont similaires à celles du soja (Glycine max (L.) Merr.) en faisant un produit idéal pour une transition de régimes riches en viandes à des régimes basés sur les protéines végétales, d’autant que ses protéines ont une digestibilité de 81%21. Ses teneurs en globuline et en albumine, en lysine sont également hautes mais sa teneur en tryptophane est faible. Le tarwi est aussi riche en calcium, fer et zinc.
Liste de lignées de tarwi sélectionnées récemment – Source : Gusilano et al., 2019
Ceci est d’autant plus attrayant que depuis 1977, plusieurs pays andins ont regroupé des collections de ressources génétiques de cette espèce et que des cultivars à basse teneur en alcaloïdes ont été obtenus par sélection22.
D’autre part, diverses études ont montré des applications possibles du tarwi en cosmétiques, médecine et biopesticides23.
Aujourd’hui deux technologies, entre autres, peuvent contribuer à accélérer l’amélioration génétique conventionnelle de cette espèce : le TILLING et l’édition de gènes.
En tant qu’outil de génétique inverse, le TILLING (Targeted Induces Locan lesions IN Genomes) offre une alternative pour mobiliser des gènes endogènes dans l’amélioration de culture sans recourir à la transgénèse. Cette technologie combine la mutagénèse classique avec des criblages moléculaires à haut débit pour découvrir des mutations ponctuelles induites chimiquement dans des gènes contrôlant des traits importants chez des cultures dont la séquence est connue. Des variants alléliques de gènes d’intérêts peuvent être ainsi identifiés et de nouveaux génotypes disposant d’un potentiel agronomique élevé peuvent être ainsi isolés et employés en back-crosses sur des cultivars déjà existants pour les améliorer et commercialiser. En utilisant des technologies « next-genetaion sequencing » (NGS) comme la plateforme Illumina (TILLING by sequencing ou TByS), l’efficacité du TILLING est considérablement accrue et permet l’analyse de mutations dans des pools multidimensionnels menant à des stratégies plus efficaces de détection de mutants : l’utilisation de pools multidimensionnels multiplexés dans des voies de tri séquentiel et d’outils bio-informatiques pertinents permet en effet la détection simultanée de grands nombres de variants alléliques, incluant les variants les plus rares au sein de la population. Le grand avantage du TILLING par rapport à d’autres biotechnologies est que c’est une méthode non transgénique évitant les obstacles réglementaires pour le semencier tout en s’avérant aisément acceptable par le consommateur. Elle fonctionne avec le propre génome de la culture, crée de la biodiversité et vise à ajouter de nouveaux traits à des variétés déjà existantes, réduisant la durée et les coûts de mise en marché sans complication juridique.
Cette méthode a été pour la première fois mise en œuvre avec succès par le laboratoire INRA du Dr. Abdelhafid Bendahmane24 avec des mutations des gènes de chromo-méthylase chez Arabidopsis thaliana, puis chez le pois et d’autres cultures. L’amélioration génétique du tarwi en retard aujourd’hui par rapport aux efforts réalisés sur d’autres légumineuses pourrait bénéficier des apports du TILLING. Des travaux ciblés sur des traits d’intérêts tels la semi-détermination de la croissance du tarwi, sa précocité de maturité, sa stabilité de rendement, la réduction de sa tenure en alcaloïdes, la coloration beige uniforme de ses semences, l’amélioration de la qualité de ses protéines comme de hautes teneurs en conglutines, albumines et ferritine et l’amélioration de son profil en huiles pourrait en faire un nouvel oléo-protéagineux particulièrement attrayant25.
En matière d’édition de gènes (Gene Editing or GE), la méthode CRISPR (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromics Repeats)/Cas926 est aujourd’hui la plus employée car elle permet d’éditer des génomes avec une précision très élevée, une grande efficacité et une bonne flexibilité. Etablie en 201327, cette technologie nécessite une étape de culture de tissus pour qu’elle puisse introduire le construit du gène édité parmi les cellules traitées nec qui pourrait constituer un challenge pour le tarwi car les légumineuses sont bien connues pour être résistantes à la capture et à l’intégration d’ADN introduit. Cependant, des méthodes d’éditions de gènes ont déjà été établies avec succès pour le soja, le niébé, le pois-chiche et pour des légumineuses-modèles comme Medicago truncatula et Lotus japonicus et donnent à penser que ce goulot d’étranglement devrait aussi être dépassé pour le tarwi. Une fois un protocole établi, l’édition de gènes pour l’amélioration du tarwi pourra être utilisée plus rapidement que la méthode du TILLING : le principal avantage de l’éditions de gènes est que c’est une technologie très précise qui permet de changer des nucléotides d’ADN dans le génome d’une plante sans faire muter d’autres gènes alentour, ce qui rend la sélection très rapide. En outre, en une seule expérience, on peut éditer plus d’un gène simultanément, ce qui n’est pas possible en TILLING28.
Clairement, ces approches contemporaines de génomique et d’édition génique couplées avec le TILLING et du phénotypage constituent désormais des outils très puissants pour améliorer le tarwi et pourraient permettre en quelques années de faire de cette culture précolombienne un oléo-protéagineux moderne. Le « Plan protéines végétales 2021 » du Ministère de l’Agriculture et de l’Alimentation pourrait retirer avantage de s’en inspirer !
Alain Bonjean & Manash Chatterjee29
Orcines, le 6 août 2021
Mots-clefs : tarwi, lupin changeant, Lupinus mutabilis, L. piurensis, légumineuse, Fabacée, Andes, domestication, protéines, huiles, glucides, plante alimentaire, oléo-protéagineux, plante médicinale, culture précolombienne, nouveaux usages, sélection, TILLING, édition de gènes
1 – Pour en savoir plus sur les lupins et leur phylogénie, lire : Wallace A. Cowling, Bevan J. Buirchelle and Mario E. Tapia (1988). Lupin. Lupinus L. In : Promoting the conservation and use of underutilized and neglected crops. 23. Institute of Plant Genetics and Crop Plant Research, Gatersleben/International Plant Genetic Resources Institute, Rome, Italy, 108 p. ; E. Käss, M. Wink (1997). Molecular phylogeny and phylogeography of Lupinus (Leguminosae) inferred from nucleotide sequences of the rbcL gene and ITS 1-2 regions of rDNA. Pl. Syst. Evol. 208, 139-167 ; A. Planchuelo et al. (2000). Phylogentic analysis of Lupinus. Proc. 9th International Lupin conference, 16-19.
2 – S.-E. Jacobsen, A. Mujica (2004). Geographical distribution of the Andean lupin (Lupinus mutabilis). In: Proceedings of the 7th ESA Congress – European Agriculture in a Global Context. KVL, Copenhagen, 11–15 July 2004. 931–932.
3 – G. Mercado et al. (2018). Memoria foro virtual : Los caminos del tarwi y la integracion andina : Bolivia, Peru, y Ecuador. Bolivia, IPDRS.
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5 – U. Prins & R. van Haren (2019). Andean lupin (Lupinus mutabilis). Cropping and its opportunities for Europe. Libbio, Lupin Bioeconomy Development, 12 p.
6 – Wallace A. Cowling, Bevan J. Buirchelle and Mario E. Tapia (1988). Ibid. ; P. Morlon (1992). Comprendre l’agriculture paysanne dans les Andes Centrales (Pérou-Bolivie). Ed. QUEA GIE, 522 p. ; Mario E. Tapia (2015). El tarwi, lupino andino. FIP & al., 108 p
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9 – O. Blanco- Galdos (1982). Genetic variability of tarwi (Lupinus mutabilis Sweet). Schriftenreihe der Gesellschaft fur Technische Zusammenarbeit, 33–49. ; M. Gnatowska et al. (2000). « Preliminary data on the outcrossing rate in sweet Lupinus mutabilis », in: Lupin, an ancient crop for the new millennium: Proceedings of the 9th International Lupin Conference, Klink/Muritz, Germany, 20-24 June, 1999: International Lupin Association), 167–168.
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12 – MAGAP (2014). Economic agroecological zoning of the lupine crop (Lupinus mutabilis) in Ecuador at a scale of 1 :250 000. MAGAP, Quito, Ecuador ; N. Mazon (2018). Chocho or tarwi as a genetic resource in Andean region. Quito, Ecuador. On line seminar inter learning -IPDRS ; FAOSTAT (2019). Lupine production data in Ecuador online ; S.-E. Jacobsen & A. Mujica (2006). El tarwi (Lupinus mutabilis Sweet) y sus parientes silvestres. Botanica Economica de los Andes Centrales, Univ. Mayor de San Andres, La Paz, 458-482.
13 – N. Mazon (2018). Ibid.
14 – H. Cremer (1983). Current aspects of legumes as a food constituent in Latin America with special emphasis on lupines : Introduction. Plant Food for Human Nutrition 32, 95-100 ; E. Villacrés et al. (2000). Potential zoning, production systems and artisanal processing of lupine (Lupinus mutabilis Sweet) in Ecuador. Quito, Ecuador, INIAP, Santa Catalina Exp. St. Nat. Legume Prog. 24-41 ; C. Calcedo et al. (2001). Postharvest and market of lupine (Lupinus mutabilis Sweet) in Ecuador. Quito, Ecuador ; H. Schoeneberger et al. (2015). Composition and protein quality of Lupinus mutabilis. The Journal of Nutrition 2015, 70-16.
15 – A. Canahua, P. Roman (2016). Tarwi Andean legume with great industrial potential. LEISA 32, 2, 20-22.on-line
16 – Amparo Iris Zavaleta, compiladora (2018). Lupinus mutabilis (tarwi). Leguminosa andina con gran potencial industrial. Primera ed.Lima: Fondo Editorial de la Universidad Nacional Mayor de San Marcos, 164 p.
17 – FAO (1992). Marginalized crops, another perspective from 1492. FAO, Italy, 345 pp. ; M. Tapia, A. Fries (2007). Field guide to Andean crops. FAO, Peru, on-line.
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20 – G.W. Atchison et al. (2016). Ibid ; J.E. Hernandez-Bermejo, J. Leon (1994). Neglected crops: 1492 from a different perspective. FAO, Rome, Italy ; https://andina.pe/agencia/noticia-tarwi-grano-del-futuro-combatira-anemia-y-desnutricion-del-mundo-630391.aspx
21 – En comparaison, la caséine, protéine du lait, a une digestibilité de 87%.
22 – R. Gross, E. von Baer, F. Koch, R. Marquard, L. Trugo, and M. Wink (1988). Chemical composition of a new variety of the Andean lupin (Lupinus mutabilis cv. Inti) with low-alkaloid content. J. Food Compos. 1, 353–361 ; A. Gulisano et al. (2019). Genetics and breeding of Lupinus mutabilis. An emerging protein crops. Front. Plant Sci., https://doi.org./10.3389/fpls.2019.01385/
23 – D. Ciesiolka et al. (2005). Products and biopreparations from alkaloid-rich lupin in animal nutrition and ecological agriculture. Krakov, Folia Biologica, 53, 59-66 ; S.K. Sathe et al. (1981). Functional properties of lupin seeds (Lupinus mutabilis) proteins and protein concentrates. Journal of Food Science 47, 2, 491-497 ; J. Przybylak et al. (2005). Alkaloid profiles of Mexican wild lupin and an effect of alkaloid preparation from L. exaltatus seeds on growth and yield of paprika (Capsisum annum L.). Industrial Crops and Products 21, 1, 1-7 ; S. Bunsupa et al. (2012). Lysine decarboxylase catalyzes the first step of quinolizidine alkaloid biosynthesis and coevolved with alkaloid production in Leguminosae. Plant Cell 24, 3, 1202-1216 ; M.C. Chirinos-Arias (2015). Andean lupin (Lupinus mutabilisSweet) a plant with nutraceutical and medicinal potential. Revista Bio Ciencias 3, 3, 163-172. http://dx.doi.org/10.15741/revbio.03.03.03 ; M.D. Baldeon et al. (2012). Hypoglycemic effect of cooked Lupinus mutabiillis and its purified alkaloids in subjects with type-2 diabetes. Nutr. Hosp. 37, 4, on-line.
24 – https://www.inrae.fr/en/news/abelhafid-bendahmane-research-bloom ; C.M. McCallum. (2000). Targeting induced local lesions IN genomes (TILLING) for plant functional genomics. Plant Physiol. 123, 439-42 ; K. Triques, B. Sturbois, S. Gallais, M. Dalmais, S. Chauvin, C. Clepet, C. Aubourg, C. Rameau, C. Caboche & A. Bendahmane (2007) Characterization of Arabidopsis thaliana mismatch specific endonucleases: application to
mutation discovery by TILLING in pea. Plant Journal 51, 1116-1125.
25 – Les connaissances ainsi induites pourraient aussi être appliquées pour l’amélioration du pois, de la lentille, du pois-chiche et d’autres légumineuses pour des traits comme la stabilité du rendement, la résistance à des stress biotiques et abiotiques, la mise au point de nouvelles architectures pour la culture indoor, l’amélioration du profil nutritionnel, l’augmentation de la teneur en protéines, etc.
26 – https://www.gnis-pedagogie.org/sujet/biotechnologies-edition-genome-retouche-genetique-crispr-cas9/
27 – J.A. Doudna and E. Charpentier (2014). The new frontier of genome engineering with CRISPR-Cas9. Science 346, 6213, 346-357. DOI: 10.1126/science.1258096
28 – Aujourd’hui, l’édition de gènes est bloquée au sein de l’Union Européenne, même si la réglementation est en train d’être rediscutée pour ses applications non-transgéniques – https://www.biotechnologies-vegetales.com/wp-content/uploads/2021/03/Note-explicative-AFBV-WGG-revisee-en-mars-2021.pdf. Cependant, cette méthode est déjà utilisée commercialement aux USA et dans d’autres pays – https://www.embopress.org/doi/full/10.15252/embr.202050680 – faisant subir à l’agriculture européenne une distanciation concurrentielle.
29 – Le Dr. Manash Chatterjee est un spécialiste des biotechnologies végétales mondialement reconnu (manash.chatterjee@gmail.com) Il possède entre autres une grande expérience du TILLING et de l’édition de gènes.
M. Chatterjee et al. (2019). Pulses for protein nutritional security in India. Galway, National University of Ireland, https://www.researchgate.net/profile/Manash-Chatterjee/publication/334459322_Des_legumineuses_pour_la_securite_alimentaire_et_nutritionelle_en_Inde_Pulses_for_protein_nutritional_security_in_India/links/606c8c9a4585159de50106b5/Des-legumineuses-pour-la-securite-alimentaire-et-nutritionelle-en-Inde-Pulses-for-protein-nutritional-security-in-India.pdf?origin=publication_detail ; A.P.K. Kumar et al. (2017). TILLING by Sequencing (TbyS) for targeted genome mutagenesis in crops. Molecular Breeding 37, 14, https://doi.org/10.1007/s11032-017-0620-1 ; A. Boualemn et al. (2014). Development of a Cucumis sativus TILLinG Platform for Forward and Reverse Genetics. PLoS ONE 9,5, e97963. doi:10.1371/journal.pone.0097963
Les chroniques du végétal 